基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡的宜城市森林健康評價

林治成，楊貴才，夏銳，康建坤★，曾冠中，張偉

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）·地球物理與空間信息學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；3.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055）

森林健康概念的提出可以追溯到20 世紀70 年代[1]。在此后的30 a 里，森林健康的研究對象由單一的樹木轉(zhuǎn)向了森林群落[2]，評價的結(jié)果越來越取決于指標體系的選取[3]，不同地區(qū)和國家對森林健康評價的側(cè)重點也存在差異，這要求學者們要結(jié)合研究地區(qū)的實際情況進行綜合分析[4]。此外，21 世紀以來，遙感、GIS 技術的飛速發(fā)展，也給森林數(shù)據(jù)的獲取提供了更高效、準確的手段[5-6]。

森林健康評價是指對由于人為和自然因素造成的森林系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的不平衡，從而對缺失的森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能和價值的一種評估[7]，這種評價大多是定量的，森林生態(tài)系統(tǒng)的復雜性極大地影響了評價結(jié)果[8]，因此國內(nèi)外對于森林健康評價的方法非常多樣（表1）。

表1 常見的森林健康評價方法Tab.1 Common forest health assessment methods

綜合考慮宜城市的實際情況，本文選擇先使用主成分分析法來剔除具有相關性的指標，在健康評價階段，SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡無須確認各指標的權重，就能夠有效地避免人為因素的干擾，將相互關系復雜且非線性的高維數(shù)據(jù)映射到低維空間，比較適合本研究，因此本文選擇SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練仿真，對宜城市森林健康進行綜合評價。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 自然條件

宜城市屬湖北省襄陽市下轄的縣級市，位于湖北省西北部、漢江中游，版圖呈“蝴蝶狀”，東西長76 km，南北寬53 km，總面積211 500 hm2，漢江將全境自然分割為東西兩大部分，以漢江為界，分別往東西部呈平原、丘陵、山地的變勢，階梯式延伸。

1.2 森林基本情況

根據(jù)第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)，宜城市喬木林面積為49 567 hm2，占宜城市森林面積的99.33%，其中，人工喬木林的面積為18 022 hm2，占36.36%，天然喬木林的面積為31 545 hm2，占63.64%。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，宜城市樹種主要有：馬尾松（Pinus massoniana）、柏木（Cupressus funebris）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、三角楓（Acer buergerianum）、楊樹（Populus przewalskii）、黃檀（Dalbergia hupeana）、鹽膚木（Rhus chinensis）等。通過計算，森林總蓄積量為3 564 500 m3，單位面積蓄積量為71.43 m3·hm-2，森林蓄積量分布如圖1所示。

圖1 宜城市森林蓄積量分布Fig.1 Forest stock distribution map in Yicheng City

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于2022 年野外實地調(diào)查，依托湖北省森林資源連續(xù)清查的系統(tǒng)抽樣框架，根據(jù)森林調(diào)查精度要求，對宜城市建立網(wǎng)格單元大小為2 km×2 km 均勻抽樣格網(wǎng)，提取落入第三次全國國土調(diào)查森林圖斑內(nèi)的交叉點或選取附近具有代表性的點作為宜城市喬木林實地采樣點，每塊樣地調(diào)查面積667 m2，樣地形狀為正菱形，選取落在其中的林木進行調(diào)查，測量并記錄其中林木的屬性值。在數(shù)據(jù)分析階段，剔除有明顯錯誤的調(diào)查點后，共選取實地調(diào)查的70 個樣地點數(shù)據(jù)進行分析，用于評價宜城市喬木林的健康狀況。

1.4 評價指標的選取

參考借鑒前人研究成果[20-24]，結(jié)合宜城市實際森林經(jīng)營狀況，初步選取了能夠充分反映宜城市森林健康狀況的下列指標：土壤厚度、枯枝落葉厚度、灌木覆蓋度、草本覆蓋度、平均樹齡、平均胸徑、平均樹高、郁閉度、單位面積蓄積量9 個定量指標，以及齡組、起源、群落結(jié)構(gòu)、自然度4 個定性指標，部分定性指標的量化指標見表2。

表2 部分評價指標的量化值Tab.2 Quantitative values of some evaluation indicators

2 森林健康評價方法

2.1 主成分分析法

本文基于SPSS 26.0 的軟件環(huán)境，對選取的13 個指標進行主成分分析，基于主成分分析的基本要求，特征值小于1 的主成分解釋力將會下降，因此本文設置特征值大于1，同時進行KMO 和巴特利特球形度檢驗。

2.1.1 KMO和巴特利特球形度檢驗

KMO 和巴特利特球形度檢驗常用于判斷數(shù)據(jù)是否適合做因子分析，當KMO 檢驗統(tǒng)計量越接近于1時，表明變量之間的偏相關性越強，因子分析的效果也就越好。具體檢驗結(jié)果見表3。

表3 KMO和巴特利特球形度檢驗Tab.3 KMO and Bartlett Spherical Test

KMO 值為0.603＞0.6，巴特利特球形度檢驗的顯著性小于0.05，表明該數(shù)據(jù)可以進行因子分析。

2.1.2 主成分提取

本文設置特征值大于1，主成分統(tǒng)計信息見表4。成分矩陣信息見表5。

表4 主成分統(tǒng)計信息Tab.4 Principal component statistics

表5 成分矩陣信息Tab.5 Component matrix information

由表4 可知，前5 個主成分的特征值都大于1，累計方差貢獻率達到71.465%，滿足主成分分析要求，因此選取前5個主成分。

由表5 可知，第一主成分主要有平均年齡、平均胸徑、平均樹高、單位面積蓄積量，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)活力的描述指標；第二主成分主要有草本覆蓋度、自然度，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)受影響程度的描述指標；第三主成分主要有森林群落結(jié)構(gòu)，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性的指標；第四主成分主要有起源，可以作為森林生態(tài)系功能穩(wěn)定性的指標；第五主成分主要有土壤厚度，可以作為森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性的指標。

在建立評價指標體系時，由于枯枝落葉厚度、灌木覆蓋度、齡組、郁閉度這4 個指標的成分值在5 個主成分中低于其他指標，且平均樹高和平均胸徑的相關性過高，因此最終確定宜城市森林健康評價指標體系如表6所示。

表6 宜城市森林健康評價指標體系Tab.6 Forest health evaluation index system in Yicheng City

2.2 健康等級劃分

根據(jù)宜城市實際情況，將宜城市森林健康狀況分為Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級5個等級，分別表示優(yōu)質(zhì)健康、健康、亞健康、不健康、極不健康，具體等級評價標準見表7。

表7 宜城市森林健康等級評價標準Tab.7 Evaluation standard of forest health grade in Yicheng City

2.3 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡模型的建立

本文基于Matlab R2016a 軟件建立SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

2.3.1 數(shù)據(jù)預處理

在SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡模型建立前，應對數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除變量間的量綱差異。

2.3.2 初始化

將隨機數(shù)作為輸入層和映射層間權值的初始值。

2.3.3 輸入向量并計算與權值向量的歐氏距離

將輸入向量X=(x1,x2,x3,…,xm)T傳遞給輸入層，并將映射層的權值向量和輸入向量的距離用歐氏距離表示，每個輸入向量與映射層第j個神經(jīng)元的距離由以下公式計算得到：

式中，wij為輸入層的第i個神經(jīng)元和映射層的j神經(jīng)元之間的權值。經(jīng)過該公式計算獲得一個優(yōu)勝神經(jīng)元j*，即對于任意的j神經(jīng)元，都有某個單元k，使得dk= minj(dj)成立。

2.3.4 定義優(yōu)勝領域Nj*(t)

以j*為中心確定t 時刻的權值調(diào)整域，一般初始鄰域Nj*( 0 )較大，訓練過程中Nj*(t)隨訓練時間逐漸收縮。

2.3.5 調(diào)整權值

按照以下公式對優(yōu)勝鄰域Nj*(t)內(nèi)的所有節(jié)點調(diào)整權值：

式中，η(t,N)是訓練時間t和鄰域內(nèi)第j個神經(jīng)元與獲勝神經(jīng)元j*之間的拓撲距離N的函數(shù)。

2.3.6 獲得結(jié)果Ok

2.3.7 檢驗是否滿足要求

當結(jié)果滿足預期要求時則結(jié)束，否則重新進行計算直到滿足預期要求。

3 結(jié)果與分析

經(jīng)過上述研究分析后，由圖2可知，宜城市喬木林優(yōu)質(zhì)健康樣地9 個，面積為0.600 3 hm2，占比12.86%；健康樣地12 個，面積為0.800 4 hm2，占比17.14%；亞健康樣地15 個，面積為1.000 5 hm2，占比21.43%；不健康樣地22 個，面積為1.467 4 hm2，占比31.43%；極不健康樣地12個，面積為0.800 4 hm2，占比17.14%。

圖2 宜城市森林各健康等級占比Fig.2 Proportion of forest health levels in Yicheng City

應用ArcGis10.2 進行繪圖，所得結(jié)果見圖3。由圖3可知，不健康森林樣地主要集中在流水鎮(zhèn)東側(cè)和板橋店鎮(zhèn)東北側(cè)，極不健康樣地主要集中在雷河鎮(zhèn)、孔灣鎮(zhèn)、劉猴鎮(zhèn)的交界處和板橋店鎮(zhèn)東北側(cè)，優(yōu)質(zhì)健康、健康和亞健康樣地分布較為廣泛，無明顯分布特征。綜合來看，流水鎮(zhèn)和板橋店鎮(zhèn)森林健康狀況最差，小河鎮(zhèn)、南營街道森林健康狀況最好。

圖3 宜城市森林調(diào)查點健康等級Fig.3 Health level of forest survey sites in Yicheng City

圖4 不同齡組森林健康等級統(tǒng)計Fig.4 Statistical of forest health levels in different age

圖5 不同郁閉度森林健康等級統(tǒng)計Fig.5 Statistical of forest health level with different canopy density

圖6 不同起源森林健康等級統(tǒng)計Fig.6 Statistical of forest health levels of different origins

1）從齡組角度看，森林的齡組結(jié)構(gòu)較為不合理。經(jīng)過統(tǒng)計，幼齡林中不健康樣地（38.78%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占30.61%；中齡林中極不健康樣地（36.84%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占31.58%；近熟林由于樣地數(shù)量較少，不健康（50%）和極不健康（50%）等級的樣地占比相同，樣地中無成熟林和過熟林。這表明研究區(qū)中齡林健康狀況整體略優(yōu)于幼齡林，且各齡組段的森林均表現(xiàn)為亞健康、不健康和極不健康樣地占比更多，同時研究發(fā)現(xiàn)宜城市森林大多數(shù)屬于幼齡林和中齡林，近熟林、成熟林、過熟林非常少，表明原始森林生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)遭到了較大的破壞，森林生態(tài)系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性、可持續(xù)性和系統(tǒng)活力受到了很大的影響。因此，齡組結(jié)構(gòu)的不合理極有可能是造成宜城市森林健康狀況欠佳的主要原因之一，并且這種類型的森林結(jié)構(gòu)還會造成森林齡組間的斷層，不能達到森林可持續(xù)發(fā)展的目標，進而對宜城市的生態(tài)、經(jīng)濟效益產(chǎn)生不良的影響。

2）從郁閉度角度看，根據(jù)宜城市森林郁閉度實際情況，將宜城市森林按照郁閉度劃分為0～≤0.3、0.3～≤0.6、0.6～1.0 三個區(qū)間。經(jīng)過統(tǒng)計，在郁閉度為0～≤0.3 的區(qū)間中，健康（33.33%）與極不健康（33.33%）的森林樣地占大部分，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占50%；在郁閉度為0.3～≤0.6 的區(qū)間中，極不健康森林樣地占比最大（28.57%），優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占28.57%；在郁閉度為0.6～1.0 的區(qū)間中，不健康森林樣地占比最大（36%），優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占28%。推斷很有可能是郁閉度越大，導致光照強度越低，樣地的生態(tài)系統(tǒng)所受影響也越大，因此，對密度過高的林區(qū)可以進行適當?shù)膿嵊煞ィ褂糸]度保持在一個中等且合理的水平，從而增加林內(nèi)的透光度以及土壤中微生物的活性，加速有機質(zhì)的分解，使得土壤的養(yǎng)分得到增加。

3）從起源角度看，宜城市森林中人工林健康狀況優(yōu)于天然林。經(jīng)過統(tǒng)計，天然林中，不健康樣地（33.33%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占26.32%。人工林中，健康樣地（38.46%）最多，優(yōu)質(zhì)健康與健康樣地共占46.15%。這說明宜城市人工林發(fā)育得更好，通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人工林多屬于以杉、松為主的純林，森林林種結(jié)構(gòu)較為單一，一般用材林面積占比達到了70.15%，表明宜城市對人工林的需求比較大，因此更加注重人工林的培育，但相比于人工林，天然林不僅具有優(yōu)秀的土壤肥力、組織結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，還有良好的生產(chǎn)力基礎，并且抗風險能力強，未來應當多注重對原始天然林健康的監(jiān)測。

5 總結(jié)與建議

本文依據(jù)主成分分析法和SOM 自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡對宜城市森林健康狀況進行了評價分析，主要有以下結(jié)論與建議：

1）總體來看，宜城市喬木林大部分集中于亞健康、不健康、極不健康等級，優(yōu)質(zhì)健康與健康森林僅占30%，這表明宜城市的森林整體健康狀況有待改善，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

2）宜城市喬木林的齡組結(jié)構(gòu)較為不合理，幼齡林、中齡林占比過大，這極有可能是造成宜城市森林健康狀況欠佳的主要原因之一。此外，宜城市林種結(jié)構(gòu)也不合理，森林樹種多以杉、松為主，且為純林，結(jié)構(gòu)較為單一，這主要是因為人們對于一般用材林的需求比較大，進而導致宜城市森林的結(jié)構(gòu)完整性、功能穩(wěn)定性和系統(tǒng)活力都偏低，不利于森林生態(tài)系統(tǒng)多樣化發(fā)展。未來可以加強對幼樹和灌草的保護，提升森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以通過適當?shù)乃赏潦┓剩纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)，對林下灌木蓋度過大的林分適當割灌，為林下幼苗與草本生長提供適宜的環(huán)境，促進森林天然更新、自然演替。